Un peu de physique quantique

La physique est une science qui donne des clés de lecture du monde qui nous entoure, en s’appuyant notamment sur de nombreux outils mathématiques. Cette science n’existe pas en elle même, elle n’est la cause d’aucuns des phénomènes qui nous entourent, elle est en seulement une interprétation. La pomme ne tombe pas de l’arbre parceque Newton en a écrit les équations. En revanche la physique modélise et explique; elle permet de savoir en combien de temps la pomme tombe ou bien pourquoi elle tombe à la verticale.
La physique classique s’est historiquement intéressée aux phénomènes macroscopiques, visibles de l’homme et y a développé une approche déterministe : les choses n’arrivent que parce qu’une cause s’est produite avant. La cause précède les effets. D’autre part, la physique classique est pleine de bon sens parce qu’elle se rapporte à des phénomènes constatés quotidiennement : une balle jetée contre un mur rebondit, ce qui n’est toujours le cas si on adopte le point de vue de la physique quantique!
Justement, comment définir la physique quantique? Premièrement, c’est une physique qui impose d’abandonner un certain nombre (si ce n’est toutes) d’idées préconçues. Ensuite, elle ne s’intéresse et ne fonctionne qu’à l’échelle des particules (à l’intérieur de l’atome donc). Enfin et surtout, en physique quantique, il n’y a pas de certitudes mais des probabilités.

La première expérience la plus marquante est celle « des fentes de Young ».

Contrairement à ce qu’aurait pu nous faire prédire notre bon sens, les électrons ne se comportent pas comme des balles de tennis jetées à travers une meurtrière, mais comme une fonction mathématique (une onde) qui contient la probabilité que la balle se trouve à tel ou tel endroit au delà de la meurtrière. La balle pré existe partout! En tous cas, tant qu’on a pas essayé de savoir où elle se situe…

En effet, si on pousse cette expérience un peu plus loin et qu’on cherche à savoir par quelle fente est « réellement » passé l’électron, c’est alors un tout autre résultat. Imaginons donc le dispositif expérimental : on place un détecteur d’électron ainsi qu’un dispositif « d’éclairage » derrière le dispositif à fentes. Redémarrons le canon à électrons : il n’apparait alors sur l’écran plus que 2 fentes correspondant aux impacts des électrons. Tout se passe comme si les électrons avaient perdu leur caractère ondulo-aléatoire, pour revêtir leur combinaison de simple particule de matière. En physique quantique, on appelle ce phénomène « la réduction du paquet d’onde ». Et il s’agit la probablement de la propriété fondamentale : tant qu’on ne cherche pas à mesurer ou voir par où passe une particule, alors elle prend tous les chemins offerts avec une certaine densité de probabilité, par contre dès lors qu’une observation est faite on oblige la particule à choisir un chemin (qui peut être aléatoirement l’un où l’autre…). C’est le principe d’indiscernabilité. Edwin Shrodinger s’est amusé de ce principe avec son expérience de pensée du chat.

Pour tenter d’expliquer ce principe, Heisenberg a émis l’hypothèse que le fait de mesurer ou d’observer une particule impliquait de faire interagir cette dernière avec une autre particule (un photon par exemple si on observe avec une lumière) et qu’ainsi on brisait l’équilibre de distribution des particules et donc faisait disparaître les interférences. Cependant cette hypothèse astucieuse à été invalidée en 1998 par une expérience publiée dans « Nature », nous obligeant donc à considérer l’indiscernabilité comme un réel mécanisme fondateur de la physique quantique mais impossible à expliquer pour l’heure.

La masse

La masse est probablement la grandeur physique la plus communément entrée dans le langage courant et certainement celle la plus facile à appréhender car chacun peut la ressentir (même si on le verra plus loin ce n’est pas la masse qu’on ressent mais une des forces qui en dérive). Cependant, à l’heure où le boson de Higgs nous rappelle que même le plus simple des concepts physiques ne s’est pas encore complètement dévoilé aux sciences, je vous propose de revisiter la masse à travers ses différentes définitions de l’histoire des sciences.

Le nom « masse » tire son origine du latin « massa » qui désignait un amas de matière. C’est donc d’abord une grandeur permettant de caractériser une quantité ou un volume de matière. On imagine facilement que c’est l’essor du commerce qui a rendu nécessaire l’apparition d’un tel concept. Ainsi, c’est la civilisation Grec qui la première, proposera une première approche scientifique grâce au génie d’Archimède et sa fameuse étude des leviers, dont l’Histoire a retenu le célèbre « Donnez-moi un point d’appui, et un levier, je soulèverai le monde ». On pourra noter que des ancêtres de balance ont été attribués à l’Egypte antique ainsi qu’à plusieurs civilisations Asiatiques, là encore motivées par des ambitions commerciales.

La physique, sous la forme qu’on lui connait aujourd’hui, n’évolua que très peu jusqu’au 17ème siècle. C’est finalement, en Anglais, Isaac Newton qui va réellement révolutionner la masse et lui associer une théorie complète, dans le fameux « Principia ». Dès les trois premières définitions, Newton caractérise la masse sous deux formes : la masse grave et la masse inerte. La première est celle qu’il associe à la notion de poids, en notant que masse et poids sont proportionnels. La deuxième, associe la masse au concept de force d’inertie : on ne peut changer l’état d’un corps (i.e au repos ou en mouvement) sans lui imprimer une force. Cette force sera d’autant plus grande que la masse inerte sera grande (un éléphant sur un vélo lancé à vive allure par exemple). Ces deux formes de la masse sont généralement passées sous silence lors des leçons de physique car elles sont en réalité très très proches et il est donc « permis » de les confondre. Cependant, il est intéressant de revisiter l’application du principe fondamental de la dynamique avec le prisme de cette définition de la masse.

Notons, Mg la masse grave et Mi la masse inerte d’un même corps que nous allons mettre en chute libre.

Le principe de Newton nous dit que le produit de la masse inerte par l’accélération du corps est égal à la somme des forces qui lui sont appliquées : Mi x a = F

Dans ce cas la seule force qui s’applique est le poids, définit par Newton comme étant le produit de la masse grave avec une constante, image du pouvoir de gravitation qu’exerce la Terre sur le corps en question.

Nous obtenons donc Mi x a = Mg x g. Cette égalité illustre bien les deux « masses » et avec quoi ces dernières interagissent.

Ainsi donc sous la plume de Newton, la masse a est-elle commencé à révéler une partie de son mystère, avec une définition très « physique » s’illustrant de la manière la plus concrète et la plus perceptible au quotidien. C’est d’ailleurs une approche qui est révélatrice du mode de pensée de la fin du XVIIème siècle : à l’aube des premières révolutions industrielles la physique est d’abord mécanique et doit donc répondre à des interrogations quant au mouvement des astres aussi bien qu’à celles concernant les prémices de la mécanisation du travail.

Mais cette ère d’une physique utilitariste va bientôt laisser place à une nouvelle physique, incarnée par Albert Einstein, alors jeune inspecteur de l’office fédéral des brevets de Berne.

Jusqu’alors, la masse (sous ses 2 formes, grave et inerte) n’est qu’une image de la quantité de matière, mais Einstein va avoir l’intuition de créer une équivalence entre la masse d’un corps et l’énergie qu’il contient. Cette équivalence est traduite par la plus célèbre formule E=MC2 où M désigne la masse du corps et C la vitesse de la lumière.

Dès lors, le principe de conservation de la masse, maintes fois répétés dans les écoles, n’a plus de sens, car une énergie peut créer de la masse : c’est le cas des accélérateurs de particule qui par le biais de collisions entre particules, en créent de nouvelles qui ne pré-existaient pas et qui ne sont pas non plus des débris de la collision.

La masse n’est donc plus une quantité de matière, mais une quantité d’énergie.

La masse d’un corps est une caractéristique intrinsèque pour la physique Newtonienne. Cependant, la nouvelle physique des particules née dans les années 70, propose une autre approche dans laquelle, la masse résulte du couplage du corps avec un champ.

Cette physique qui a donné naissance à un découpage encore plus fin de la matière (quarks, gluons, bosons, leptons), prédit par exemple que les forces fondamentales (électromagnétique, gravitation, nucléaires) sont « supportées » par certaines de ces particules : le photon par exemple serait le vecteur de la force électromagnétique.

Aussi, ce modèle standard prédit l’existence d’un champ qui en interagissant avec les particules leur affecterait une masse : c’est le champs de Higgs, dont le fameux boson serait une manifestation.

Cependant l’existence de ce champs n’a jamais été démontrée et c’est bien là l’objet de toutes les expériences menées actuellement au LHC.